AM真菌促进盐碱化土壤中牧草生长的作用机理

作     者：侯亚州 

作者单位：内蒙古大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭伟

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 0713[理学-生态学] 

主      题：AM真菌 牧草 盐碱化 细菌群落 转录组学 

摘      要：近年来,由于受气候干旱、土壤排水不畅和地下水位高等因素的影响,草地盐碱化问题日益严重,导致草地退化、生产能力降低和可利用的草地面积逐年减少,严重影响草地畜牧业的可持续发展。目前,利用耐盐碱牧草修复盐碱化草地备受关注,但存在修复效率低的问题亟待解决。研究显示,丛枝菌根(Arbuscular mycorrhizal,AM)真菌能显著改善植物的盐碱耐受性,具有提高盐碱化土壤植物修复效率的潜在有益作用,但AM真菌对牧草生长和盐碱耐受性的影响及根际微生物和分子作用机理研究鲜见报道。本论文通过温室盆栽试验,研究了在不同程度盐碱化土壤中接种AM真菌***对大针茅、沙打旺和羊草生长、元素吸收、离子平衡的影响,并基于此进一步研究了AM真菌对沙打旺地上部转录组调控的影响;同时,研究了接种***、***和***对羊草生长和根际土壤细菌群落组成和多样性的影响,揭示AM真菌提高牧草盐碱耐受性的作用机理。研究结果显示:(1)AM真菌***与大针茅、沙打旺和羊草均建立了良好的共生关系,菌根侵染率为12.33%～38.00%。在不同程度盐碱化土壤中,接种AM真菌使得大针茅和沙打旺总干重显著增加了36.11%～303.13%,N、P和K的含量显著提高了18.43%～1515.63%,显著改善了K/Na、Ca/Na和P/Na;AM真菌使得沙打旺地上部和根中Na浓度显著增加了8.49%～248.50%;AM真菌没有显著改善羊草的生长。(2)接种***的沙打旺地上部共筛选出2491个差异表达基因,其中上调849个,下调1642个。富集分析显示,差异表达基因主要与“离子转运(GO:0006811),“细胞的自我调节(GO:0019725),“氧化还原酶活性(GO:0016491)等GO term相关;差异表达基因主要富集在与脂类代谢、碳水化合物代谢、氨基酸代谢、其他次生代谢产物的生物合成相关的KEGG通路上。结果表明,AM真菌可通过调控光合作用相关通路,水通道蛋白、生长素、抗氧化酶和海藻糖等相关基因增强植物对盐碱胁迫的抵抗能力。(3)接种***、***和***三种AM真菌均与羊草建立了良好的共生关系,菌根侵染率为26.44%～28.89%。接种***和***使得羊草总干重显著提高了97.66%～125.73%,P含量显著增加了226.32%～360.00%;接种***、***和***分别使得羊草根部Na浓度显著降低了36.65%、32.42%和29.12%,显著改善了K/Na、Ca/Na和P/Na;接种***使得羊草叶片可溶性糖含量显著升高。(4)AM真菌和羊草共生改变了其根际土壤细菌群落的丰富度和多样性,不同种类AM真菌的影响效果不同,其中接种***的羊草根际土壤细菌丰富度(Sobs指数)显著降低。接种AM真菌使得羊草根际土壤细菌群落中厚壁菌门(Firmicutes)和变形菌门(Proteobacteria)的占比减少,而芽孢杆菌属(Bacillus)和类诺卡氏菌属(Nocardioides)的占比呈增加趋势。接种***和***分别使得羊草根际土壤中耐盐和嗜盐的优势菌群Hydrogenophaga、Exiguobacterium和Nocardioides(类诺卡氏菌属)、Lysinibacillus(赖氨酸芽孢杆菌属)、Ammoniphilus显著富集,其可能在协助牧草抵抗盐碱胁迫中发挥了重要的作用。研究结果表明,AM真菌可显著改善盐碱化土壤中牧草的生长和对盐分的积累,其作用效果与AM真菌和牧草的种类有关;转录组和根际细菌群落分析揭示,AM真菌可通过调控沙打旺相关基因、通路和羊草根际土壤细菌群落组成提高牧草的盐碱耐受性。本研究结果可为盐碱化草地的植物-微生物联合修复提供基础数据和理论依据。